一種高精度電阻測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻的精確測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種高精度電阻測(cè)量?jī)x系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用單片機(jī)作為控制核心，高精度恒壓源通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生高精度標(biāo)準(zhǔn)恒流源作用在待測(cè)電阻上，采用四端法測(cè)量待測(cè)電阻兩端電壓，使用低速高精度A／D讀取電壓值，實(shí)現(xiàn)電阻的低成本、高精度測(cè)量。該測(cè)試儀可自動(dòng)變換測(cè)量檔位和顯示有效住數(shù)，量程范圍為3mΩ～3MΩ。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，測(cè)試速度在15次／s時(shí)，測(cè)量精度達(dá)到0．5％，讀數(shù)跳動(dòng)在3字以下。
關(guān)鍵詞：電阻測(cè)量；單片機(jī)；恒流源；四端法

0 引言
高精密電阻是眾多參考源的重要元件。高精密電阻測(cè)量的精度要求比較高，容易受環(huán)境噪聲、測(cè)量方法以及儀器本身精度和穩(wěn)定性的影響。在高精密電阻生產(chǎn)線上檢測(cè)電阻值時(shí)還要保證一定的測(cè)試速度和儀器自身的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
本文在充分考慮上述因素的情況下，研究設(shè)計(jì)了一種高精密度電阻測(cè)量?jī)x。該電阻測(cè)量?jī)x的量程范圍為3 mΩ～3 MΩ，最大顯示30 000數(shù)，測(cè)試速度為15次／s，測(cè)量精度為0．5％，讀數(shù)跳動(dòng)不大于3字。

1 測(cè)量原理
測(cè)量電路中總是存在接觸電阻和連線電阻，大小在10-2 Ω數(shù)量級(jí)。當(dāng)待測(cè)電阻值在10-1Ω及以下時(shí)，普通二端測(cè)量法的接觸電阻和連線電阻將使測(cè)量結(jié)果不可信。因此，該系統(tǒng)采用四端法測(cè)量，以消除這種影響。
1．1 四端法測(cè)量原理
圖1所示為雙線測(cè)量等效電路。

圖中Rd1和Rd2為檢測(cè)探針與被測(cè)電阻之間的接觸電阻，該接觸電阻被加入到測(cè)量中產(chǎn)生測(cè)量誤差。被測(cè)電阻越小，這種相對(duì)誤差越大。加載的測(cè)試電流從探針經(jīng)過(guò)接觸電阻流向待測(cè)電阻R，電壓表測(cè)量電壓并計(jì)算出相應(yīng)的電阻值。由于接觸電阻相對(duì)于電流源內(nèi)阻數(shù)值很小，對(duì)測(cè)試電流I的影響可以忽略。但是測(cè)試電流I在接觸電阻上產(chǎn)生一個(gè)較小卻很明顯的電壓降，因此電壓表測(cè)得的電壓Vm不是恰好等于待測(cè)電阻R兩端的實(shí)際電壓VR，從而產(chǎn)生較大的誤差。

接觸電阻Rd1，Rd2的大小一般在10～100 mΩ的范圍內(nèi)，與導(dǎo)體表面氧化程度、接觸面積有關(guān)，且不可預(yù)測(cè)。假設(shè)Rd1=Rd2=10 mΩ，待測(cè)電阻R=3 mΩ，則η=666．7％，顯然采用雙線測(cè)量方法很難獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。
四端法等效電路如圖2所示。

圖中：Rd1，Rd2為驅(qū)動(dòng)探針與被測(cè)電阻之間的接觸電阻；Rc1，Rc2為檢測(cè)探針和被測(cè)電阻之間的接觸電阻。測(cè)試電流I通過(guò)驅(qū)動(dòng)探針加載到被測(cè)電阻R上；設(shè)通過(guò)檢測(cè)探針測(cè)得R上的電壓為Vm，R兩端實(shí)際電壓為VR，Rc1，Rc2兩端電壓分別為VRc1，VRc2，則電壓關(guān)系如式(4)所示：

由此可見(jiàn)，四端法測(cè)量電阻有效提高了電阻測(cè)量?jī)x的精確度。